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JPH0351407B2 - - Google Patents
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JPH0351407B2 - - Google Patents

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JPH0351407B2
JPH0351407B2 JP1296900A JP29690089A JPH0351407B2 JP H0351407 B2 JPH0351407 B2 JP H0351407B2 JP 1296900 A JP1296900 A JP 1296900A JP 29690089 A JP29690089 A JP 29690089A JP H0351407 B2 JPH0351407 B2 JP H0351407B2
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JP
Japan
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coordinate system
eyeball
line
face
center
Prior art date
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Application number
JP1296900A
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Japanese (ja)
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JPH02224637A (en
Inventor
Akira Tomono
Muneo Iida
Kazunori Oomura
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Ei Tei Aaru Tsushin Shisutemu Kenkyusho Kk
Original Assignee
Ei Tei Aaru Tsushin Shisutemu Kenkyusho Kk
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Publication date
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Priority to JP1296900A priority Critical patent/JPH02224637A/en
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  • Eye Examination Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は視線検出方法に関し、特に、画像処
理により非接触で視線および注視点を検出し、マ
ン・マシンインタフエース技術の分野において
は、視線による入力装置への利用、視線の動き分
析に基づく融通性の高いコンピユータ応答システ
ムへの利用、また通信コンピユータグラフイクス
が利用される知的符号化画像通信の分野において
は、視線検出結果を画像生成法にフイードバツク
することにより高速で高品質な画像生成を行なう
表示法などに利用可能な視線検出方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a line of sight detection method, and in particular to detecting a line of sight and a gaze point in a non-contact manner by image processing. In the field of intelligent coding image communication where communication computer graphics are used, the results of gaze detection can be used to generate images. This invention relates to a line-of-sight detection method that can be used for display methods that generate high-quality images at high speed by providing feedback to the method.

[従来の技術] 近年、コンピユータはその進歩により、複雑か
つ豊富な機能を実現できるようになり、適用範囲
がますます広がりつつある。一方、その利用者も
専門家から非専門家に範囲を広げつつある。ここ
に、より複雑化するシステムをより簡単に使用で
きるようにするヒユーマンインタフエースの技術
が重要になる。人間同士のコミユニケーシヨンで
は言葉だけでなく、表情や仕草から相手の意思を
推測することによつて円滑な対話が行なわれてお
り、特に目の動きは意思疎通に重要な役割を果た
している。
[Background Art] Due to advances in computers in recent years, they have become capable of realizing complex and rich functions, and the scope of their application is increasingly expanding. Meanwhile, the range of users is expanding from experts to non-experts. This is where human interface technology becomes important, making it easier to use increasingly complex systems. In communication between humans, smooth dialogue is carried out not only by words but also by inferring the other person's intentions from facial expressions and gestures, and eye movements in particular play an important role in communication.

すなわち、視点の動きには人の意図が大きく反
映されると考えられる。コンピユータや通信シス
テムインタフエースでは、利用者は何らかの表示
装置に長い時間向い合うことになるため、表示装
置の画面への視点の動きを常時検出できれば、利
用者の意図を抽出する大きな手掛りになると考え
られる。端的には、利用者がどこを見ているの
か、その先には何に関心があるのか、迷いは何か
などである。
In other words, it is thought that a person's intention is largely reflected in the movement of the viewpoint. In computers and communication system interfaces, users face some kind of display device for long periods of time, so we believe that if we can constantly detect the movement of the viewpoint toward the display screen, it will be a great clue to extracting the user's intentions. It will be done. Simply put, where are users looking, what are they interested in, and what are their concerns?

そこで、本願発明者らは、利用者の操作意図を
汲取り、柔軟な応答を返すインタフエース機能を
実現すること、さらに知的通信の分野において受
信者の視線の動きから受信者の関心のある視対象
を抽出し、通信側にフイードバツクすることによ
つて、臨場感のある受手主体の画像通信を実現す
ることなどを狙いとして、視線の効率的な検出方
法の重要性を指摘してきた。
Therefore, the inventors of the present application aimed to realize an interface function that understands the user's operating intention and returns a flexible response, and furthermore, in the field of intelligent communication, the purpose of We have pointed out the importance of an efficient method for detecting line of sight, with the aim of realizing receiver-centered image communication with a sense of reality by extracting the visual target and providing feedback to the communication side.

上述のような視線を検出する装置として、従来
よりアイカメラが知られている。しかしながら、
アイカメラは眼鏡を装着しなければならず、利用
者が相対しているデイスプレイの座標系で視点を
求めるためには、頭部を固定する必要があるなど
の制約があるため、視線をインタフエースや画像
通信に利用する目的には必ずしも向いていない。
すなわち、人に特別な物を装着させることなく、
非接触で視線を検出するためには、画像処理によ
つて検出する方法の方が有利である。
An eye camera has been known as a device for detecting the line of sight as described above. however,
Eye cameras require glasses to be worn, and in order to determine the viewpoint in the coordinate system of the display the user is facing, there are limitations such as the need to fix the head. It is not necessarily suitable for use in image communications.
In other words, without having the person wear anything special,
In order to detect line of sight without contact, a detection method using image processing is more advantageous.

第15図は非接触視線検出方式の構造として考
えられる一例を示す図である。第15図を参照し
て、デイスプレイ1の両側にはカメラ2,3と照
明装置4,5とが設けられている。このような非
接触視線検出装置において、第1の課題は照明装
置4,5で照明された利用者の画像をカメラ2,
3により撮影し、撮影された画像から視線検出に
必要な複数の特徴点を抽出することにある。第2
の課題はそれらの特徴点の空間位置を高速、高精
度で計測することである。第3の課題は、特徴点
の位置から視線の方向およびデイスプレイの注視
点位置を求めることである。
FIG. 15 is a diagram showing an example of a possible structure of a non-contact line of sight detection method. Referring to FIG. 15, cameras 2 and 3 and lighting devices 4 and 5 are provided on both sides of display 1. In such a non-contact line of sight detection device, the first problem is to convert the image of the user illuminated by the lighting devices 4 and 5 into the camera 2,
3, and extracting a plurality of feature points necessary for line-of-sight detection from the photographed image. Second
The challenge is to measure the spatial positions of these feature points at high speed and with high precision. The third task is to determine the direction of the line of sight and the position of the point of view on the display from the position of the feature point.

[発明が解決しようとする課題] 上述の第1の課題は本願発明者が提案した「画
像撮影装置」(特開平2−138673号)により、効
率的な特徴点の抽出を期待できる。しかしなが
ら、このように特徴点の抽出ができたとしても、
次の第2、第3の課題、すなわち、利用者の頭部
の動きを許容しかつ非接触で視線を検出する手
法、さらには利用者が実際に見ている注視点の検
出手法については、実用的な発表例はない。
[Problem to be Solved by the Invention] The first problem described above can be solved by using the "image photographing device" (Japanese Patent Laid-Open No. 138673/1999) proposed by the inventor of the present application, which can be expected to efficiently extract feature points. However, even if feature points can be extracted in this way,
Regarding the next second and third issues, namely, a method for detecting the user's line of sight without contact while allowing movement of the user's head, and a method for detecting the gaze point that the user is actually looking at, There are no practical presentation examples.

それゆえに、この発明の主たる目的は、利用者
が特別な装置を装着することなく、画像撮影装置
によつて撮影された撮影対象からの画像に基づい
て、利用者の視線の動きを非接触で検出し得る視
線検出方法を提供することである。
Therefore, the main object of the present invention is to detect the movement of the user's line of sight in a non-contact manner based on an image of a photographic subject photographed by an image photographing device, without requiring the user to wear any special equipment. An object of the present invention is to provide a line of sight detection method that can detect the line of sight.

さらに、この発明の他の目的は、マン・マシン
インタフエースの入力ツールとして適用可能な視
線検出方法を提供することである。
Furthermore, another object of the present invention is to provide a line of sight detection method that can be applied as an input tool for a man-machine interface.

[課題を解決するための手段] この発明は画像撮影装置によつて撮影された顔
画像から特徴点を抽出し、この特徴点の空間位置
を所望の座標系で検出し、この結果に基づいて視
線を検出する視線検出方法であつて、顔画像から
頭部の空間位置と方向とを所望の座標系において
求め、顔座標系をつくる顔座標系生成ステツプ
と、生成された顔座標系において眼球の回転中心
を推計する眼球中心推計ステツプと、顔座標系で
表わされた眼球中心を所望の座標系に変換して眼
球中心の空間位置を検出する検出ステツプと、顔
画像から瞳孔または黒目を抽出し、その中心点の
空間位置を所望の座標系において求める眼球特徴
点の空間位置検出ステツプと、眼球中心の空間位
置と眼球特徴点の空間位置とを結ぶ線分を求める
ステツプとを備え、線分またはこれと所定の傾き
を持つ線分を視線として検出するように構成した
ものである。
[Means for Solving the Problems] The present invention extracts feature points from a face image photographed by an image photographing device, detects the spatial position of the feature points in a desired coordinate system, and extracts feature points from a face image photographed by an image photographing device. This is a gaze detection method for detecting gaze, which includes a facial coordinate system generation step in which the spatial position and direction of the head are determined from a facial image in a desired coordinate system, and a facial coordinate system is created; an eyeball center estimation step for estimating the rotation center of the face; a detection step for detecting the spatial position of the eyeball center by converting the eyeball center expressed in the face coordinate system into a desired coordinate system; and a detection step for detecting the spatial position of the eyeball center from the face image. a step of detecting the spatial position of the eyeball feature point and determining the spatial position of the center point in a desired coordinate system; and a step of finding a line segment connecting the spatial position of the center of the eyeball and the spatial position of the eyeball feature point; The system is configured to detect a line segment or a line segment having a predetermined inclination with the line segment as a line of sight.

[作用] この発明は視線検出方法であつて、頭部の位置
と方向を所望の座標系で求め、位置と方向を求め
ることによつて、所望の座標系に対して一意に変
換可能な顔座標系を設けることができる。顔座標
系が設定されると、眼球の回転中心は顔座標系の
中で概ね固定点と考えることができるため、眼球
中心は顔座標系の中で定数ベクトルとして扱うこ
とができる。定数ベクトルはx、y、zの3つの
成分を顔座標系で求めることにより決定できる。
これを求めるためには、様々な方法があるが、後
述のように利用者に指標を予め提示し、このとき
の特徴点の空間位置検出結果を用いて求めること
ができる。未知数が3つであるため、このような
較正が比較的簡単にできる。
[Operation] The present invention is a line of sight detection method, in which the position and direction of the head are determined in a desired coordinate system, and by determining the position and direction, a face that can be uniquely converted to the desired coordinate system is obtained. A coordinate system can be provided. Once the face coordinate system is set, the center of rotation of the eyeball can be considered to be approximately a fixed point within the face coordinate system, and therefore the eyeball center can be treated as a constant vector within the face coordinate system. The constant vector can be determined by finding the three components x, y, and z in the face coordinate system.
There are various methods for determining this, but it can be determined by presenting the index to the user in advance and using the spatial position detection result of the feature point as described later. Since there are three unknowns, such calibration can be performed relatively easily.

顔座標系と所望の座標系は、前述のように一意
に変換可能であるため、顔座標系で表わされた眼
球中心の位置は、所望の座標系に変換自在であ
る。このようにして、顔の位置と方向とが検出さ
れると、眼球中心の位置が所望の座標系で求ま
る。
Since the facial coordinate system and the desired coordinate system can be uniquely converted as described above, the position of the center of the eyeball expressed in the facial coordinate system can be converted into the desired coordinate system. When the position and direction of the face are detected in this manner, the position of the center of the eyeball is determined using a desired coordinate system.

一方、瞳孔または黒目の中心点(前記眼球特徴
点)の空間位置が後述のごとく、所望の座標系で
求まると、眼球中心の空間位置と眼球特徴点の空
間位置とを結ぶ線分として視線を近似的に求める
ことができる。ただし、この線分は、視線として
は誤差を含むため、正確にはその線分と一定の傾
きを持つ線分を視線とすることが望ましい。
On the other hand, when the spatial position of the center point of the pupil or iris (the eyeball feature point) is determined in a desired coordinate system, as described later, the line of sight is determined as a line segment connecting the spatial position of the eyeball center and the spatial position of the eyeball feature point. It can be obtained approximately. However, since this line segment includes an error as a line of sight, it is desirable to use a line segment that has a constant slope with the line segment as the line of sight.

顔の位置と方向とを求めるには、顔に少なくと
も3点の動きの少ない特徴点があればよい。3点
の空間位置が所望の座標系で求まれば、その座標
系で3点を通過する面を定義できる。面が決まれ
ば方向が決まる。また、顔座標系の原点はたとえ
ば3つの点の重心とすればよい。このようにし
て、3点の空間位置から顔座標系を決定できる。
In order to determine the position and direction of a face, it is sufficient if the face has at least three feature points with little movement. Once the spatial positions of the three points are determined in a desired coordinate system, a plane passing through the three points can be defined in that coordinate system. Once the surface is determined, the direction is determined. Further, the origin of the face coordinate system may be, for example, the center of gravity of three points. In this way, the face coordinate system can be determined from the spatial positions of the three points.

顔上に3つの不動点を見つけるのが困難な場合
には、眼鏡に3つのマークを付けてもよい。この
眼鏡を装着することにより、顔を簡単に3点でモ
デル化できる。
If it is difficult to find three fixed points on the face, three marks may be placed on the glasses. By wearing these glasses, you can easily model your face using three points.

[発明の実施例] まず、視線検出方法について説明するに先立つ
て視線について説明する。
[Embodiments of the Invention] First, before explaining the line of sight detection method, the line of sight will be explained.

第2図は眼球の構造を模式的に示した図であ
る。第2図を参照して、目の前面を覆つている透
明な膜が角膜161であり、網膜162への集光
はほとんど角膜161によつて行なわれるが、指
標に視点を合わせるための微調整(調節作用)は
水晶体163の厚みを変えて行なわれる。角膜1
61、水晶体163の光軸の延長上に網膜162
の中で最も分解能が高い中心窩164と呼ばれる
部分が存在する。人は対象を注視するときには、
この中心窩164にその像が結像するように目を
動かす。したがつて、視線は近似的には結像光軸
上にあるとみてよい。また、瞳孔165の中心、
眼球の回転中心もこの光軸の近くにあるため、視
線は瞳孔中心位置および眼球中心位置を求めるこ
とで基本的には検出が可能である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the eyeball. Referring to FIG. 2, the transparent membrane covering the front surface of the eye is the cornea 161, and most of the light is focused on the retina 162 by the cornea 161, but fine adjustment is required to align the viewpoint with the index. (Adjustment action) is performed by changing the thickness of the crystalline lens 163. cornea 1
61, retina 162 on the extension of the optical axis of crystalline lens 163
There is a part called the fovea 164 that has the highest resolution. When people gaze at an object,
The eye is moved so that the image is formed on this fovea 164. Therefore, the line of sight can be considered to be approximately on the imaging optical axis. In addition, the center of the pupil 165,
Since the center of rotation of the eyeball is also near this optical axis, the line of sight can basically be detected by determining the center position of the pupil and the center position of the eyeball.

以下、眼球中心と瞳孔中心とを結ぶ線を視線と
近似し、検出アルゴリズムについて説明する。な
お、視線の方向が厳密には異なる場合の補正は、
後で述べる。
Hereinafter, a line connecting the center of the eyeball and the center of the pupil will be approximated as a line of sight, and the detection algorithm will be described. In addition, correction when the direction of line of sight is strictly different is as follows.
I will explain later.

第1図はこの発明の一実施例を説明するための
図である。次に、第1図を参照して、この発明の
視線検出方法について概略を説明する。172は
瞳孔または黒目の中心点であり、P1,P2,P3は
顔の特徴点である。瞳孔または黒目、さらに顔の
特徴点はカメラで直接撮影できるため、後述のス
テレオ計測などにより、所望の座標系(たとえば
ワールド座標系)X、Y、Zで求めることができ
る。eは顔座標系としての頭部座標系x、y、z
で表わされた眼球中心ベクトルである。眼球中心
の位置はカメラで直接測定できないが、顔座標系
において固定点であるため、後述の較正により求
めることができる。眼球中心ベクトルeが求まる
と、眼球の回転中心の位置171は、後述のよう
にワールド座標系で表わすことができる。したが
つて、眼球の回転中心の位置171と瞳孔または
黒目の中心点172とを結ぶ線分として視線が求
まる。ワールド座標系のY、Z軸平面を利用者が
相対しているデイスプレイスクリーン面とする
と、視線とその面が交わる点を注視点として求め
ることができる。
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention. Next, referring to FIG. 1, an outline of the line of sight detection method of the present invention will be explained. 172 is the center point of the pupil or the iris of the eye, and P1, P2, and P3 are feature points of the face. Pupils or iris, as well as feature points of the face, can be directly photographed with a camera, so they can be determined in a desired coordinate system (for example, world coordinate system) X, Y, Z by stereo measurement, which will be described later. e is the head coordinate system x, y, z as the face coordinate system
This is the eyeball center vector expressed by . Although the position of the center of the eyeball cannot be directly measured with a camera, since it is a fixed point in the facial coordinate system, it can be determined through calibration, which will be described later. Once the eyeball center vector e is determined, the position 171 of the center of rotation of the eyeball can be expressed in the world coordinate system as described later. Therefore, the line of sight is determined as a line segment connecting the rotation center position 171 of the eyeball and the center point 172 of the pupil or iris. If the Y- and Z-axis planes of the world coordinate system are the display screen surface facing the user, the point where the line of sight intersects with that surface can be determined as the point of gaze.

以下、視線検出方法の詳細について、式を用い
て説明する。
The details of the line of sight detection method will be explained below using equations.

第1図において、頭部座標系は三角形(P1,
P2,P3)の重心PG(XG、YG、ZG)に原点があり、
P1とP2とを結ぶ線分の方向をx軸、x軸に直
交する方向をy軸、三角形の法線方向をz軸とす
る。眼球中心位置ベクトルeは現時点では未知数
であるが、定数ベクトルである。何らかの方法で
重心PGからの位置を測定することができる。後
述するように、このベクトルは較正によりもとめ
ることができる。そこで、以下の説明では、入力
データとして与えることができるものとする。し
たがつて、入力データとしては、顔上の三特徴
点Pi(Xi、Yi、Zi)(i=1〜3)、頭部座標系
(x、y、z)における眼球中心座標e(xe、ye
ze)である。出力データは眼球中心のワールド座
標C(XC、YC、ZC)である。この結果がわかれ
ば、視線の方向は第1図においてD(XD、YD
ZD)−C(XC、YC、ZC)として求まる。
In Figure 1, the head coordinate system is a triangle (P1,
The origin is at the center of gravity P G (X G , Y G , Z G ) of P2, P3),
The direction of the line segment connecting P1 and P2 is the x-axis, the direction orthogonal to the x-axis is the y-axis, and the normal direction of the triangle is the z-axis. The eyeball center position vector e is currently unknown, but is a constant vector. The position from the center of gravity PG can be measured in some way. This vector can be determined by calibration, as described below. Therefore, in the following explanation, it is assumed that it can be given as input data. Therefore, the input data includes the three feature points P i (X i , Y i , Z i ) (i=1 to 3) on the face, and the eyeball center coordinates in the head coordinate system (x, y, z). e(x e , y e ,
z e ). The output data is world coordinates C (X C , Y C , Z C ) centered on the eyeball. Once this result is known, the direction of the line of sight is D(X D , Y D ,
Z D )−C(X C , Y C , Z C ).

以上の命題は、頭部座標系(x、y、z)をワ
ールド座標系(X、Y、Z)に変換することとい
える。
The above proposition can be said to convert the head coordinate system (x, y, z) to the world coordinate system (X, Y, Z).

第3図は原点の移動と座標軸の回転が伴う座標
変換を説明するための図である。第3図を参照し
て、原点の移動と座標軸の回転が伴う座標変換
は、一般的に次の第(1)式により可能である。
FIG. 3 is a diagram for explaining coordinate transformation involving movement of the origin and rotation of coordinate axes. Referring to FIG. 3, coordinate transformation involving movement of the origin and rotation of the coordinate axes is generally possible using the following equation (1).

x y z=RX−XG Y−YG Z−ZG …(1) また、逆変換は次の第(2)式で表わされる。x y z=RX-X G Y-Y G Z-Z G (1) In addition, the inverse transformation is expressed by the following equation (2).

X Y Z=R-1x y z+XG YG ZG …(2) またR-1はワールド座標系をY軸まわりにβ回
転させ、続いてX軸のまわりにα回転させ、Z軸
の方向にγ回転して頭部座標系に一致させると、
次の第(3)式で表わされる。
X Y Z=R -1 x y z+X G Y G Z G …(2) Also, R -1 rotates the world coordinate system β around the Y axis, then α rotates it around the When rotated by γ in the direction to match the head coordinate system,
It is expressed by the following equation (3).

R-1sinα・sinβ・sinγ sinα・sinβ・c
osγ cosα・sinβ+cosβ・cosγ−cosβ・sinγ cosα・sinγ cosα・cosγ sinα・cosβ・sinγ sinα・cosβ・cosγ cosα・ cosβ−sinβ・cosγ+sinβ・sinγ …(3) PG(XG、YG、ZG)は計測されるため、sinα、
sinβ、sinγ、cosα、cosβ、cosγがわかればよい。
これを求める方法について以下に説明する。
R -1 sinα・sinβ・sinγ sinα・sinβ・c
osγ cosα・sinβ+cosβ・cosγ−cosβ・sinγ cosα・sinγ cosα・cosγ sinα・cosβ・sinγ sinα・cosβ・cosγ cosα・cosβ−sinβ・cosγ+sinβ・sinγ …(3) P G (X G , Y G , Z G ) is measured, so sinα,
All you need to know is sinβ, sinγ, cosα, cosβ, and cosγ.
The method for determining this will be explained below.

第4図は第1図において、顔の中の特徴点P1
であるワールド座標系の原点を移動した図であ
る。頭部座標系のz方向は顔の3点がつくる三角
形の法線ベクトルNに等しいものとする。ワール
ド座標系における三角形の法線ベクトルの方向余
弦は次の第(4)式となる。
Figure 4 shows the feature point P1 in the face in Figure 1.
This is a diagram in which the origin of the world coordinate system has been moved. It is assumed that the z direction of the head coordinate system is equal to the normal vector N of the triangle formed by the three points on the face. The direction cosine of the normal vector of a triangle in the world coordinate system is given by the following equation (4).

nx=cosθ ny=cosφ nz=cosφ …(4) この値はワールド座標系で計測される顔の3点
の位置座標から以下のようにして求めることがで
きる。第3図において、平面の方程式を次の第(5)
式で示す。
n x = cosθ n y = cosφ n z = cosφ (4) This value can be obtained as follows from the position coordinates of the three points on the face measured in the world coordinate system. In Figure 3, the equation of the plane is expressed as (5)
It is shown by the formula.

A・X+B・Y+C・Z+D=0 …(5) X、Y、Zは3点Pi(Xi、Yi、Zi)(i=1〜
3)をとるので、 X X1 X2 X3Y Y1 Y2 Y3Z Z1 Z2 Z31 1 1 1 A B C D=0 0 0 0 …(6) 上述の第(6)の式はA=B=C=D=0以外の解
を持つことから、係数の行列式は0であり、平面
の方程式は次の第(7)式となる。
A・X+B・Y+C・Z+D=0...(5) X, Y, and Z are 3 points P i (X i , Y i , Z i ) (i=1~
3 ) , so X X 1 X 2 Since the equation has a solution other than A=B=C=D=0, the determinant of the coefficient is 0, and the plane equation is the following equation (7).

X X1 X2 X3Y Y1 Y2 Y3Z Z1 Z2 Z31 1 1 1=0 …(7) すなわち、 A= Y1 Z1 1 Y2 Z2 1 Y2 Z2 1 Y3 Z3 1=Y1(Z2−Z3)−Z1(Y2−Y3)+(Y2 Z3−Y3
Z2)…(8) B=−X1 Z1 1 X2 Z2 1 X2 Z2 1 X3 Z3 1=−X1(Z2−Z3)+Z1(X2−X3)−(X2 Z3−X
3 Z2)…(9) C= X1 Y1 1 X2 Y2 1 X2 Y2 1 X3 Y3 1=X1(Y2−Y3)−Y1(X2−X3)+(X2 Y3−X3
Y2)…(10) D=−X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 X2 Y2 Z2 X3 Y3 Z3=−X1(Y2Z3−Y3Z2)+Y1(X2Z3−X3−Z2)−
Z1(X2Y3−X3Y2)…(11) したがつて、この平面170の法線ベクトルN
は次のようになる。
X X 1 X 2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Y 3 Z 3 1 = Y 1 (Z 2 - Z 3 ) - Z 1 (Y 2 - Y 3 ) + (Y 2 Z 3 - Y 3
Z 2 )...(8) B=-X 1 Z 1 1 X 2 Z 2 1 X 2 Z 2 1 X 3 Z 3 1=-X 1 (Z 2 -Z 3 )+Z 1 (X 2 -X 3 ) −(X 2 Z 3 −X
3 Z 2 )… ( 9) C= X 1 Y 1 1 X 2 Y 2 1 X 2 Y 2 1 X 3 Y 3 1 = +(X 2 Y 3 −X 3
Y 2 )…(10) D=−X 1 Y 1 Z 1 X 2 Y 2 Z 2 X 2 Y 2 Z 2 X 3 Y 3 Z 3 =−X 1 (Y 2 Z 3 −Y 3 Z 2 )+Y 1 (X 2 Z 3 −X 3 −Z 2 )−
Z 1 (X 2 Y 3 −X 3 Y 2 )...(11) Therefore, the normal vector N of this plane 170
becomes as follows.

また、三角形の法線ベクトルの方向余弦(nx
ny、nz)は、ワールド座標系がY軸のまわりにβ
回転し、次にX軸のまわりにα回転して、Z軸を
頭部座標系のZ時に合わせる条件からも同様にし
て求めることができる。
Also, the direction cosine of the normal vector of the triangle (n x ,
n y , n z ) means that the world coordinate system is β around the Y axis.
It can be similarly determined from the conditions of rotating, then α rotating around the X axis, and aligning the Z axis with the Z time of the head coordinate system.

第5図において、はワールド座標系がY軸の
まわりにβ回転することを示す。このとき、(X、
Y、Z)は、破線に示す(X′、Y′、Z′)になる。
続いて、はX′のまわりにワールド座標系がα
回転することを示している。この操作により、
Z′軸はz軸に一致する。したがつて、第5図から
方向余弦(nx、ny、nz)は、 nx=cosα・sinβ ny=−sinα nz=cosα・sinβ …(13) となる。このようにして、z軸の方向が決定さ
れ、第(12)式および第(13)式より、sinα、
sinβ、sinγ、cosα、cosβ、cosγを求めるための1
つの条件ができる。
In FIG. 5, indicates that the world coordinate system is rotated by β around the Y axis. At this time, (X,
Y, Z) become (X', Y', Z') shown by the broken line.
Then, the world coordinate system is α around X′.
It shows that it rotates. With this operation,
The Z′ axis coincides with the z axis. Therefore, from FIG. 5, the direction cosine (n x , n y , n z ) is as follows: n x = cos α·sin β ny = −sin α n z = cos α·sin β (13). In this way, the direction of the z-axis is determined, and from equations (12) and (13), sinα,
1 to find sinβ, sinγ, cosα, cosβ, cosγ
Two conditions can be created.

次に、第5図において、に示すような頭部座
標のz軸(すなわちN)のまわりにワールド座標
系がγ回転し、X′軸が頭部座標系のx軸に重な
るように、すなわちX軸、Y軸も頭部座標系に平
行になるようにする。
Next, in Fig. 5, the world coordinate system is rotated by γ around the z-axis (i.e., N) of the head coordinate system as shown in , so that the X'-axis overlaps the x-axis of the head coordinate system, i.e. The X-axis and Y-axis should also be parallel to the head coordinate system.

P1,P2とXZ平面のなす角をδとすると、第5
図からわかるように、 である。これをnと置くと、回転角α、β、γは
第(12)式、第(13)式および第(14)式から次
の第(15)式で表わされる。
If the angle between P1, P2 and the XZ plane is δ, then the fifth
As you can see from the figure, It is. Letting this be n, the rotation angles α, β, and γ are expressed by the following equation (15) from equations (12), (13), and (14).

sinα=−ny、cosα=√1−2 y sinβ=n×/√1−2 y、cosβ=nz√1−2 y siniγ=m/√1−2 y、 cosγ=√1−2 y−m/√1−2 y …(15) 上述の第(15)式の値を第(3)式に代入すれば、
R-1が求まる。第(10)式により、頭部座標系の点は
ワールド座標系に変換される。したがつて、眼球
中心の位置はワールド座標系で求まる。
sinα=−n y , cosα=√1− 2 y sinβ=n×/√1− 2 y , cosβ=n z √1− 2 y siniγ=m/√1− 2 y , cosγ=√1− 2 y −m/√1− 2 y …(15) If we substitute the value of equation (15) above into equation (3), we get
Find R -1 . According to equation (10), points in the head coordinate system are transformed to the world coordinate system. Therefore, the position of the center of the eyeball can be found in the world coordinate system.

次に、視線の計算方法について説明する。前述
の第1図において、眼球中心のワールド座標値C
(XC、YC、ZC)が求まれば、これと瞳孔座標D
(XD、YD、ZD)を結んだ線が視線となる。視線上
の任意の点のベクトルは、次の第(17)式で表わ
すことができる。
Next, a method of calculating the line of sight will be explained. In the above-mentioned FIG. 1, the world coordinate value C at the center of the eyeball
Once (X C , Y C , Z C ) is found, this and the pupil coordinate D
The line connecting (X D , Y D , Z D ) is the line of sight. The vector of any point on the line of sight can be expressed by the following equation (17).

A=C+t・(D−C) …(17) ここで、tは視標までの距離を示すパラメータ
であり、様々な方法で求めることができる。ワー
ルド座標系に求められたデイスプレイが平面であ
れば(たとえば第1図においてYZ平面がデイス
プレイ面である。)、視線ベクトル(D−C)の原
点と方向が検出されているので、このベクトルが
デイスプレイに当たる点は、デイスプレイ座標で
一意に求まる。
A=C+t・(D−C) (17) Here, t is a parameter indicating the distance to the visual target, and can be determined by various methods. If the display determined in the world coordinate system is a plane (for example, the YZ plane is the display surface in Figure 1), the origin and direction of the line-of-sight vector (D-C) have been detected, so this vector is The point that hits the display is uniquely determined by the display coordinates.

また、この発明では、左右の目の視線方向を独
立に検出できるため、平面上の注視点でなくても
検出できる。すなわち、空間上の注視点も抽出で
きる。すなわち、左右の視線上の任意の点へのベ
クトルをそれぞれA1,A2とすれば、第(17)
式より次の第(18)式が得られる。
Further, in this invention, since the line-of-sight direction of the left and right eyes can be detected independently, detection is possible even if the gaze point is not on a plane. In other words, spatial points of interest can also be extracted. In other words, if the vectors to arbitrary points on the left and right lines of sight are A1 and A2, respectively, then the (17th)
From the equation, the following equation (18) is obtained.

A1=C1+t1・(D1−C1) A2=C2+t2・(D2−C2) ここで、 C1、C2:左右の眼球中心のベクトル (D1−C1)、(D2−C2);左右の視線ベクトル t1、t2:パラメータ(t1、t2>1) …(18) t1、t2をパラメータとして、A1、A2が最も近
くなる点を求めれば、それが注視点である。この
ように、この発明では、注視点と同時に両眼の輻
輳角も検出できる。
A 1 = C1 + t1・(D1−C1) A 2 =C2+t2・(D2−C2) Here, C1, C2: Vectors at the center of the left and right eyeballs (D1−C1), (D2−C2); Left and right line of sight vectors t1 , t2: Parameter (t 1 , t 2 > 1) (18) If we use t1 and t2 as parameters and find the point where A1 and A2 are closest, that is the point of interest. In this way, in the present invention, the convergence angle of both eyes can be detected at the same time as the point of gaze.

次に、眼球中心座標の推計について説明する。
眼球中心の位置は頭部座標系において固定されて
いると考え、前述の説明ではインプツトデータと
した。しかし、実際に眼球中心の座標を正確に与
えることは難しいので、以下の方法で推計する。
Next, estimation of the eyeball center coordinates will be explained.
The position of the center of the eyeball is assumed to be fixed in the head coordinate system, and is used as input data in the above explanation. However, it is difficult to actually give the coordinates of the center of the eyeball accurately, so the following method is used to estimate it.

今、被験者にワールド座標の既知なM個の点Li
(Xi、Yi、Zi)を順次見つめさせ、そのときの瞳
孔のワールド座標Di(XDi、YDi、ZDi)および頭部
座標を形成する顔上の3特徴点のワールド座標
P1i(X1i、Y1i、Z1i)、P2i(X2i、Y2i、Z2i)、P3(X3
i

Y3i、Z3i)を測定する。これらの測定値を用い
て、頭部座標系における眼球中心座標e(Xe
Ye、Ze)を最小二乗法によりその最確値を推計
する。
Now, let the subject know M points L i with known world coordinates.
(X i , Y i , Z i ), and the world coordinates of the pupil at that time D i (X Di , Y Di , Z Di ) and the world coordinates of the three feature points on the face that form the head coordinates.
P 1i (X 1i , Y 1i , Z 1i ), P 2i (X 2i , Y 2i , Z 2i ), P 3 (X 3
i
,
Y 3i , Z 3i ). Using these measured values, the eyeball center coordinate e (X e ,
Estimate the most probable value of Y e , Z e ) using the least squares method.

第6図において、頭部座標系における眼球中心
のベクトルをeとして、点Liを見つめているとき
の瞳孔中心、顔上の3特徴点の重心、点Liへのベ
クトルをそれぞれワールド座標系でDi、PGi、Li
とする。ベクトルeをワールド座標系で表示する
とRi -1・eであるので、第6図から明らかなよう
に、次の第(19)式が成立する。
In Figure 6, the vector at the center of the eyeball in the head coordinate system is defined as e, and the center of the pupil when staring at point L i , the center of gravity of the three feature points on the face, and the vector to point L i are respectively expressed in the world coordinate system. In D i , P Gi , L i
shall be. When the vector e is expressed in the world coordinate system, it is R i -1 ·e, so as is clear from FIG. 6, the following equation (19) holds true.

Li+ti(Di−Li)=Ri -1e+PGi(i=1〜M) …(19) tiはパラメータ(ti>1) すなわち、次の第(20)式に示す連立方程式と
なる。
L i +t i (D i −L i )=R i -1 e+P Gi (i=1 to M)...(19) t i is a parameter (t i >1), that is, shown in the following equation (20) It becomes a simultaneous equation.

ここでr11i、r12i…r33iは回転マトリクスRi -1の各
要素であり、第(9)式に第(16)式を代入したもの
である。第(18)式からtiを消去して、xe、ye
zeについて整理すると、次の第(21)式が得られ
る。
Here, r 11i , r 12i . . . r 33i are each element of the rotation matrix R i -1 , and are obtained by substituting equation (16) into equation (9). By eliminating t i from equation (18), x e , y e ,
By rearranging z e , the following equation (21) is obtained.

U1ixe+U2iye+U3ize+U0i=0 V1ixe+V2iye+V3ize+V0i=0 (i=1〜N) …(21) ここで、U1i、U2i、U3i、U0i、V1i、V2i、V3i
V0iは測定データとして得られるものである。し
たがつて、未知数xe、ye、zeの解については、第
(19)式の右辺をそれぞれδi、εiと置き、誤差の二
乗和Σ(δi 2+εi 2が最小になるようにして求めれば
よい。
U 1i x e +U 2i y e +U 3i z e +U 0i = 0 V 1i x e +V 2i y e +V 3i z e +V 0i = 0 (i = 1 to N) ... (21) Here, U 1i , U 2i , U 3i , U 0i , V 1i , V 2i , V 3i ,
V 0i is obtained as measurement data. Therefore, regarding the solutions to the unknowns x e , y e , and z e , the right-hand sides of equation (19) are set as δ i and ε i , respectively, and the sum of squared errors Σ (δ i 2 + ε i 2 is the minimum All you have to do is find it.

上述の説明では、較正により求めなければなら
ないパラメータは、頭部座標における眼球中心位
置のみである。したがつて、較正をするために、
被験者に提示する指標の数は少なくて済む。ま
た、較正が簡単であるので、被験者のばらつきに
よる誤差が少なく、精度が高くなる。なお、上述
の説明においては、視線は瞳孔と眼球中心を結ぶ
として説明してきたが、厳密にはずれる場合があ
る。
In the above description, the only parameter that must be determined through calibration is the eyeball center position in head coordinates. Therefore, in order to calibrate,
Only a small number of indicators need to be presented to the subject. Furthermore, since calibration is simple, there are fewer errors due to variations between subjects, and accuracy is increased. In addition, in the above description, the line of sight has been explained as connecting the pupil and the center of the eyeball, but there are cases where the line of sight connects the pupil and the center of the eyeball.

第7図は瞳孔と中心窩を結ぶ線分上の眼球中心
がない場合を示す図である。第7図を参照して、
瞳孔と中心窩を結ぶ線分上に眼球中心がない場合
には、眼球中心を仮定し、この点から中心窩への
ベクトルを何らかの方法で求めるか、定数ベクト
ルとして、較正法の中で求めてもよい。いずれに
しても、眼球の回転によらず、位置の変化が少な
い眼球中心点を求めることが視点検出に有効に作
用することは明らかであり、上述の問題はこの発
明の改良の中で処理できるものである。また、被
験者が眼鏡を掛けている場合には、眼鏡レンズの
影響を考慮した補正が必要であるが、この場合に
ついても同様であり、この発明の改良により較正
が可能である。
FIG. 7 is a diagram showing a case where there is no eyeball center on a line segment connecting the pupil and the fovea. Referring to Figure 7,
If the center of the eyeball is not on the line segment connecting the pupil and the fovea, assume the center of the eyeball and find a vector from this point to the fovea in some way, or use a constant vector to find it in the calibration method. Good too. In any case, it is clear that determining the center point of the eyeball with little change in position, regardless of the rotation of the eyeball, is effective for viewpoint detection, and the above-mentioned problem can be solved in the improvement of this invention. It is something. Further, if the subject wears glasses, correction is required taking into account the influence of the glasses lenses, but the same applies to this case, and the improvement of the present invention allows for calibration.

瞳孔と角膜反射像を用いる方法は、目の中の特
徴点だけを用いる方法である。光源の位置を既知
とし、眼球構造を一定とすると、角膜反射像は眼
球中心の位置と瞳孔の位置(眼球の回転に対応す
る)により一意に決まる。したがつて、眼球中心
の位置は眼球構造パラメータを用いて角膜反射像
と瞳孔の位置から求めることができる。視線は眼
球中心と瞳孔の位置から求めることができる。眼
球構造パラメータとは、眼球の半径、角膜の曲率
半径、眼球中心と角膜の曲率中心との間の距離で
ある。これらは予め計測するか、使用時に利用者
にデイスプレイの特定個所を見てもらい、較正す
ることができる。
The method using pupil and corneal reflection images uses only feature points inside the eye. When the position of the light source is known and the structure of the eyeball is constant, the corneal reflection image is uniquely determined by the position of the center of the eyeball and the position of the pupil (corresponding to the rotation of the eyeball). Therefore, the position of the eyeball center can be determined from the corneal reflection image and the pupil position using the eyeball structure parameters. The line of sight can be determined from the center of the eyeball and the position of the pupil. The eyeball structure parameters are the radius of the eyeball, the radius of curvature of the cornea, and the distance between the center of the eyeball and the center of curvature of the cornea. These can be measured in advance or calibrated by having the user look at a specific part of the display during use.

次に、顔上の特徴点の選び方について説明す
る。デイスプレイに向かつた利用者は表情をあま
り変えないことが多い。したがつて、皮膚の動き
も少ない。また、仮に動いていてもすぐに元に戻
ることが多い。このようなことから、視線検出に
支障のない範囲で動きの少ない部分が存在する。
具体例としては、目頭、鼻の頭、上唇の中間部な
どである。このような点は表情を大きく変えない
限り変化は少ない。また、周辺と色が異なるた
め、画像処理により特徴を抽出しやすい。すなわ
ち、エツジ抽出、2値化処理により特徴点部位を
同定できる。なお、視線検出の精度を上げるため
には、目の周辺を大きく拡大して撮影した方がよ
いため、顔特徴点を目の周辺から選択するのが望
ましい。目のまわりにもこのような点は多い。ま
た、簡単な画像処理により視線を高速に検出した
い場合には、このような点にマーカーを貼つても
よい。
Next, how to select feature points on the face will be explained. Users who face the display often do not change their facial expressions much. Therefore, there is less movement of the skin. Also, even if it does move, it often returns to normal immediately. For this reason, there are parts with little movement within a range that does not interfere with line-of-sight detection.
Specific examples include the inner corner of the eye, the tip of the nose, and the middle part of the upper lip. There is little change in these aspects unless the facial expression changes significantly. Additionally, since the color is different from the surrounding area, it is easy to extract features through image processing. That is, feature point parts can be identified by edge extraction and binarization processing. Note that in order to improve the accuracy of line-of-sight detection, it is better to greatly enlarge the area around the eyes when photographing, so it is desirable to select facial feature points from around the eyes. There are many spots like this around the eyes. Furthermore, if it is desired to detect the line of sight at high speed through simple image processing, markers may be pasted at such points.

第8図はマーカー付眼鏡を用いた頭部骨格のモ
デル例を示す図である。顔にマーカーを貼るのが
難しい場合には、第8図に示すように、眼鏡18
1のフレーム枠の周辺3ケ所ずつマーカー182
を取付け、眼鏡181を装着することにより、頭
部骨格がマーカー182でモデル化される。な
お、マーカー182の抽出方法については、瞳孔
の抽出と兼ねて後で説明する。なお、第8図に示
した例は顔上の3点でモデル化する場合について
説明したが、さらに多くの点でモデル化してもよ
い。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a model of a head skeleton using eyeglasses with markers. If it is difficult to put a marker on the face, use glasses 18 as shown in Figure 8.
Marker 182 at 3 locations around frame frame 1
By attaching the glasses 181 and wearing the glasses 181, the head skeleton is modeled using the markers 182. Note that the method for extracting the marker 182 will be described later, as well as the method for extracting the pupil. In the example shown in FIG. 8, the case where modeling is performed using three points on the face has been described, but modeling may be performed using even more points.

第9図は第4点でモデル化した図であり、この
例では第1の三角形183が特徴点抽出の失敗で
求まらなかつたような場合、第1の三角形183
に代えて第2の三角形184によつて眼球中心を
求めるものである。実際、人の頭は様々な動きを
するため、各特徴点が常にカメラでとらえられて
いるとは限らない。そこで、実用上は複数の三角
形を用意しておき、随時切換えることにより、絶
間なく視線を検出することができる。
FIG. 9 is a diagram modeled using the fourth point. In this example, when the first triangle 183 cannot be found due to failure in feature point extraction, the first triangle 183
Instead, the center of the eyeball is determined using the second triangle 184. In fact, because a person's head moves in a variety of ways, each feature point may not always be captured by the camera. Therefore, in practice, by preparing a plurality of triangles and switching them at any time, it is possible to continuously detect the line of sight.

また、顔上において、皮膚の動きの少ない点は
多くは存在しない。このような点は抽出が難しい
場合もある。そこで、顔上の特徴点は4つ以上で
きるだけ多くとらえ、これらの点から変化の少な
い仮想の点を3つ以上再較正し、この点により頭
部骨格をモデル化することが考えられる。
Furthermore, there are not many points on the face where the skin moves little. It may be difficult to extract such points. Therefore, it is conceivable to capture four or more feature points on the face as much as possible, recalibrate three or more virtual points with little change from these points, and model the head skeleton using these points.

第10図および第11図は2つの顔特徴点から
不動の仮想特徴点を求める例を示す図である。目
尻、目頭の部分は、第10図に示すように目を開
いた場合に比べて、第11図に示すように目を細
めるとその位置が変化する。しかし、両側の目を
同時に細めると(通常、人はそのようにする)、
2つの目尻特徴点の中心の位置はほとんど変化し
ない。同様のことが、鼻の角、まつげなどについ
ても言える。皮膚は顔面筋肉により動くため、あ
る部分が伸びるとき、必ず縮む部分が存在する。
このように、表情と皮膚の動きをデータベースと
して用意しておくことにより、仮想的に皮膚の動
きの少ない特徴点を得ることができる。このよう
に仮想特徴点を用いることにより、視線検出の精
度はさらに向上する。将来的には、表情と視線を
同時に捉えるのが望ましい。
FIGS. 10 and 11 are diagrams showing an example of determining an immobile virtual feature point from two facial feature points. The positions of the outer and inner corners of the eyes change when the eyes are squinted as shown in FIG. 11 compared to when the eyes are open as shown in FIG. 10. But if you squint on both eyes at the same time (which is what people usually do),
The positions of the centers of the two eye corner feature points hardly change. The same can be said about the corners of the nose, eyelashes, etc. The skin is moved by facial muscles, so when a certain area stretches, there is always a part that contracts.
In this way, by preparing facial expressions and skin movements as a database, it is possible to virtually obtain feature points with little skin movement. By using virtual feature points in this way, the accuracy of line of sight detection is further improved. In the future, it would be desirable to capture facial expressions and gaze at the same time.

第12図はステレオ画像計測法を説明するため
の図である。第12図を参照して、(X^、Y^、Z^)
はワールド座標系161であり、デイスプレイ画
面と重なつているものとする。ミラー164はス
テレオ計測系を較正するときにのみ、ワールド座
標系161のZ軸方向の所定の位置にXY平面と
平行に挿入するものとする。(X、Y、Z)はミ
ラー164を用いて得られるワールド座標系16
1と表面対称な座標系であり、対称座標系162
と呼ばれる。(x、y、z)は撮影カメラの座標
系163であり、原点oはレンズの視点である。
視点oから焦点距離fのところに撮像面165が
ある。
FIG. 12 is a diagram for explaining the stereo image measurement method. Referring to Figure 12, (X^, Y^, Z^)
is the world coordinate system 161, and it is assumed that it overlaps with the display screen. The mirror 164 is inserted at a predetermined position in the Z-axis direction of the world coordinate system 161 parallel to the XY plane only when calibrating the stereo measurement system. (X, Y, Z) is the world coordinate system 16 obtained using the mirror 164
It is a coordinate system that is surface symmetrical to 1, and the symmetrical coordinate system 162
It is called. (x, y, z) is the coordinate system 163 of the photographing camera, and the origin o is the viewpoint of the lens.
An imaging plane 165 is located at a focal length f from the viewpoint o.

カメラが撮影する対象は、対称座標系162の
中の対象物であり、この座標系162の座標をワ
ールド座標系(X^、Y^、Z^)に変換する必要があ
る。詳しくは後述するが、この座標変換マトリク
スを上述のごとく導入したミラー164を用いる
鏡面対称走査により獲得することができる。ま
た、対称座標系162はデイスプレイに相対した
座標系であり、インタフエース型の環境では利用
者がほぼこの座標系oあたりにくるものとする。
The object photographed by the camera is an object in a symmetrical coordinate system 162, and the coordinates of this coordinate system 162 need to be transformed into the world coordinate system (X^, Y^, Z^). Although details will be described later, this coordinate transformation matrix can be obtained by mirror-symmetric scanning using the mirror 164 introduced as described above. Furthermore, the symmetrical coordinate system 162 is a coordinate system relative to the display, and in an interface type environment, the user is assumed to be located approximately in this coordinate system o.

この発明では、視線インタフエースを利用する
ことが最終目的であり、したがつて、デイスプレ
イ座標系で視線の検出が必要であり、デイスプレ
イ座標系で人物の特徴点を正確に求める必要があ
る。一般に、カメラ座標系163で捉えた特徴点
の位置をカメラ座標系163とは異なる座標系に
変換して求めるために較正が必要である。較正す
るには、変換しようとする座標系に位置が予めわ
かつている点を用意し、このカメラによつて捉
え、変換パラメータを求める方法がとられる。こ
の発明の目的では、デイスプレイ座標系で測定し
たいため、基本的にはデイスプレイに位置の明確
な点を表示し、これをカメラで捉えて較正すれば
よい。しかし、このようにすると、当然のことな
がらカメラはデイスプレイの方向を向けることに
なり、デイスプレイに相対している利用者を捉え
ることはできない。
In this invention, the final purpose is to utilize a line-of-sight interface, so it is necessary to detect the line-of-sight in the display coordinate system, and it is necessary to accurately find the feature points of the person in the display coordinate system. In general, calibration is required to convert the positions of feature points captured in the camera coordinate system 163 into a coordinate system different from the camera coordinate system 163. To perform calibration, a method is used in which a point whose position is known in advance in the coordinate system to be converted is prepared, captured by this camera, and the conversion parameters are determined. For the purpose of this invention, we want to measure using the display coordinate system, so basically we only need to display a clear point on the display and capture this point with a camera for calibration. However, in this case, the camera naturally faces the direction of the display, and cannot capture the user facing the display.

そこで、第12図に示すように、較正時にワー
ルド座標系161の前にミラー164が設けら
れ、このミラー164に写つたデイスプレイ上の
虚像が較正用のデータとして用いられる。この虚
像をカメラで捉え、前述のアルゴリズムを用いる
ことにより、ワールド座標系161における空間
の位置が正確に求められる。すなわち、第12図
において、ワールド座標系161の点P^はミラー
164で反射し、その鏡像は対称座標系162の
点Pに現われる。光は第1図に示す矢印のよう
にミラー164で反射するが、カメラ座標系16
3から見ると、矢印のように対称座標系162
からの光として計測される。
Therefore, as shown in FIG. 12, a mirror 164 is provided in front of the world coordinate system 161 during calibration, and the virtual image on the display reflected on this mirror 164 is used as data for calibration. By capturing this virtual image with a camera and using the above-described algorithm, the spatial position in the world coordinate system 161 can be accurately determined. That is, in FIG. 12, point P^ of world coordinate system 161 is reflected by mirror 164, and its mirror image appears at point P of symmetric coordinate system 162. The light is reflected by the mirror 164 as shown by the arrow in FIG. 1, but the camera coordinate system 16
When viewed from 3, the symmetrical coordinate system 162 as shown by the arrow
It is measured as light from .

次に、ミラー164は、ワールド座標系161
に対して、位置と方向とが予め既知になるように
配置される。このようにすると、ワールド座標系
161と対称座標系162の変換が容易となる。
たとえば上述のごとく、ワールド座標系161が
Z軸に直交したミラー164を配置すると、対称
座標系162での空間位置座標は、Z^軸方向に符
号反転するだけでワールド座標系161に変換す
ることができる。つまり、ワールド座標系161
と対称座標系162との変換が容易であれば、カ
メラ座標系163と対称座標系162との交換法
を確立することにより、カメラ座標系163とワ
ールド座標系161、すなわちデイスプレイ座標
系の変換が可能となる。
Next, the mirror 164 is set in the world coordinate system 161
, so that the position and direction are known in advance. In this way, the transformation between the world coordinate system 161 and the symmetric coordinate system 162 becomes easy.
For example, as described above, if a mirror 164 is placed in which the world coordinate system 161 is orthogonal to the Z-axis, the spatial position coordinates in the symmetrical coordinate system 162 can be converted to the world coordinate system 161 by simply reversing the sign in the Z^-axis direction. I can do it. In other words, the world coordinate system 161
If it is easy to convert between It becomes possible.

したがつて、以下の説明においては、第12図
において、特徴点Pの対称座標系162での空間
位置を、カメラで捉えたその特徴点の2次元位置
データを元に求める方法について説明する。
Therefore, in the following description, a method will be described in which the spatial position of the feature point P in the symmetrical coordinate system 162 in FIG. 12 is determined based on the two-dimensional position data of the feature point captured by a camera.

まず、空間の点Pを考える。この点Pはカメラ
の撮像面座標では(ξ、η)、カメラ座標(X、
Y、Z)、および対称座標(X、Y、Z)の関係
について述べる。第12図から明らかなように、 x y z=−(ξ/f)・z −(η/f)・z z …(22) fはレンズ主点と撮像面までの距離(=焦点距
離)である。すなわち、撮像面上で像の座標が既
知のとき(計測では既知であるが)、被写体はそ
の方向のみ明らかであり、カメラ座標系163に
おける点Pの方向ベクトルは、第12図におい
て、 x→=oP→=r→・t r→=−(ξ/f) −(η/f) 1 …(23) (tはパラメータ) である。対称座標系162でのP点の座標をP
(X、Y、Z)とすると、 ベクトルoP→=X→=X Y Z …(24) であり、カメラ座標系163での座標をP(x、
y、z)とすると、 ベクトルOp→=x→=x y z …(25) 点Pのフイルム上の像の座標をp′(ξ、η)と
すると、第(23)式より x→=r→・t=R・(X−X0) すなわち、 x y z=−ξ/f −η/f 1・t=R・X−X0 Y−Y0 Z−Z0 …(26) tはパラメータ 逆変換は第(23)式および第(24)式より X→=R-1x→+X→0 X Y Z=R-1・−ξ/f −η/f 1・t+X0 Y0 Z0 …(27) 上述の第(27)式において、ξ、η、X、Y、
Zを入力として与え、位置パラメータである
R-1、f、X0、Y0、Z0を出力として求めること
を考える。すなわち、対称座標系162(X、
Y、Z)において、カメラ位置の傾き、焦点距離
を求める方法について以下に説明する。
First, consider a point P in space. This point P is (ξ, η) in camera imaging plane coordinates and camera coordinates (X,
The relationship between Y, Z) and symmetrical coordinates (X, Y, Z) will be described. As is clear from Fig. 12, x y z = - (ξ/f) z - (η/f) z z ... (22) f is the distance between the lens principal point and the imaging surface (=focal length) It is. In other words, when the coordinates of the image on the imaging plane are known (although they are known by measurement), only that direction of the subject is known, and the direction vector of point P in the camera coordinate system 163 is expressed as x→ in FIG. =oP→=r→・tr r→=−(ξ/f) −(η/f) 1 (23) (t is a parameter). Let the coordinates of point P in the symmetric coordinate system 162 be P
(X, Y, Z), vector oP→=X→=X Y Z...(24) The coordinates in the camera coordinate system 163 are P(x,
y, z), vector Op→=x→=x y z...(25) If the coordinates of the image of point P on the film are p'(ξ, η), then from equation (23), x→= r→・t=R・(X−X 0 ) That is, x y z=−ξ/f −η/f 1・t=R・X−X 0 Y−Y 0 Z−Z 0 …(26) t is a parameter The inverse transformation is from equations (23 ) and (24): X→= R -1 x→+X 0 Z 0 ... (27) In the above equation (27), ξ, η, X, Y,
Given Z as input, it is a positional parameter
Consider obtaining R -1 , f, X 0 , Y 0 , and Z 0 as outputs. That is, the symmetric coordinate system 162 (X,
A method for determining the tilt of the camera position and the focal length in Y, Z) will be described below.

対称座標の既知なN個の点Pi(Xi、Yi、Zi)(i
=1〜N)を撮影し、その画像の位置座標(ξi
ηi)(i=1〜N)を測定することにより、カメ
ラの位置(X0、Y0、Z0)、カメラの光軸方向のカ
メラの傾きを決定する回転角(α、β、γ)およ
び焦点距離fを決定する。
N points P i (X i , Y i , Z i ) (i
= 1 to N), and the position coordinates (ξ i ,
By measuring η i ) (i = 1 to N), the camera position (X 0 , Y 0 , Z 0 ) and the rotation angle (α, β, γ ) and focal length f.

上述の第(26)式を展開すると、次の第(28)
式が得られる。
Expanding the above equation (26), we get the following equation (28)
The formula is obtained.

−ξi/f・ti=R11(Xi−X0)R12(Yi−Y
0)+R13(Zi−Z0) −ηi/f・ti=R21(Xi−X0)R22(Yi−Y
0)+R23(Zi−Z0) ti=R31(Xi−X0)+R32(Yi−Y0)+R33
(Zi−Z0)(i=1〜N)…(28) Rij(i、j=1〜3)は回転マトリツクスの各
要素であり、次のとおりである。
−ξ i /f・t i =R 11 (X i −X 0 )R 12 (Y i −Y
0 ) + R 13 (Z i −Z 0 ) −η i /f・t i =R 21 (X i −X 0 )R 22 (Y i −Y
0 ) + R 23 (Z i - Z 0 ) t i = R 31 (X i - X 0 ) + R 32 (Y i - Y 0 ) + R 33
(Z i −Z 0 ) (i=1 to N) (28) R ij (i, j=1 to 3) are each element of the rotation matrix, and are as follows.

R11=cosβ・cosγ R12=sinα・sinβ・cosγ・cosα・sinγ R13=−cosα・sinβ・cosγ・sinα・sinγ R21=−cosβ・sinγ R22=−sinα・sinβ・sinγ+cosα・cosγ R23=cosα・sinβ・sinγ+sinα・cosγ R31=sinβ R32=−sinα・cosβ R33=−cosα・cosβ …(29) 上述の第(28)式の第3式を第1段目の式およ
び第2段目の式に代入してtiを消去すると、次の
第(30)式が得られる。
R 11 = cosβ・cosγ R 12 = sinα・sinβ・cosγ・cosα・sinγ R 13 = −cosα・sinβ・cosγ・sinα・sinγ R 21 = −cosβ・sinγ R 22 = −sinα・sinβ・sinγ+cosα・cosγ R 23 = cosα・sinβ・sinγ+sinα・cosγ R 31 = sinβ R 32 = −sinα・cosβ R 33 = −cosα・cosβ …(29) The third equation of the above equation (28) is transformed into the first equation and By substituting into the second stage equation and eliminating t i , the following equation (30) is obtained.

R11+ξi/f・R31)(Xi−X0)+(R12+ξi/f・R32
)(Yi−Y0)+(R13+ξi/f・R33)(Zi−Z0)=0 R21+ξi/f・R31)(Xi−X0)+(R22+ξi/f・R32
)(Yi−Y0)+(R23+ξi/f・R33)(Zi−Z0)=0 (i=1〜N) …(30) ここで、求めるべき未知数は(X0、Y0、Z0)、
(α、β、γ)およびfの7個である。したがつ
て、N≧4でなければならない。実際には、以下
の解法に示すように、最小二乗法により最確値を
決定するので、Nはある程度大きい方が望まし
い。ここで解法について説明する。測定誤差など
のため、実際には第(30)式の左辺は0になら
ず、誤差σi、εiを生じる。そこで誤差の2乗和Σ
(σi 2+εi 2)を最小とする方法で解を求めることが
できる。
R 11i /f・R 31 ) (X i −X 0 ) + (R 12i /f・R 32
)(Y i −Y 0 )+(R 13i /f・R 33 )(Z i −Z 0 )=0 R 21i /f・R 31 )(X i −X 0 )+(R 22i /f・R 32
)(Y i −Y 0 )+(R 23i /f・R 33 )(Z i −Z 0 )=0 (i=1~N) …(30) Here, the unknown quantity to be found is (X 0 , Y 0 , Z 0 ),
(α, β, γ) and f. Therefore, N≧4 must be satisfied. Actually, as shown in the solution method below, the most probable value is determined by the least squares method, so it is desirable that N be large to some extent. The solution method will be explained here. Due to measurement errors, etc., the left side of equation (30) does not actually become 0, causing errors σ i and ε i . Therefore, the sum of squares of the error Σ
A solution can be found by minimizing (σ i 2i 2 ).

このようにして、予め空間位置が明らかな複数
の点をカメラで撮影することにより、カメラ座
標、カメラの向き、焦点距離などが対称座標系1
62で求まる。対称座標系162は前述のごと
く、容易にワールド座標系161に変換できるた
め、結局ワールド座標系161に対して測定系の
パラメータをすべて求めることができる。
In this way, by photographing multiple points whose spatial positions are known in advance with a camera, the camera coordinates, camera direction, focal length, etc. can be set in a symmetric coordinate system.
It is found by 62. Since the symmetrical coordinate system 162 can be easily converted to the world coordinate system 161 as described above, all the parameters of the measurement system can be determined with respect to the world coordinate system 161 after all.

次に、3次元位置の計測について説明する。 Next, three-dimensional position measurement will be explained.

第13図および第14図はワールド座標系に対
して、任意に設定された2台のカメラで撮影した
画像によりその3次元位置を求める方法を説明す
るための図である。
FIGS. 13 and 14 are diagrams for explaining a method for determining the three-dimensional position of the world coordinate system using images taken by two arbitrarily set cameras.

第13図を参照して、ワールド座標系における
2台のカメラ165,166は、カメラレンズ主
点の座標(X^0i、Y^0i、Z^0i)、光軸方向とカメラ1
65,166の傾きを決める回転角(αi、βi、γi
および焦点距離fi(i=1〜2)が既知である。
ワールド座標系161のP(X^、Y^、Z^)を2台の
カメラ165,166で撮影した画像の座標をそ
れぞれ(ξ1、ε1)、(ξ2、ε2)とする。画像(ξi

ηi)からレンズ主点へ向かう方向ベクトルをそれ
ぞれA1、A2とすると、 P1=A1 t1+X01 P2=A2 t1+X02 (t1、t2はパラメータ) …(31) A1、A2は第(27)式から A1=R1 -1−ξ1/f1 −η1/f1 1A2=R2 -1−ξ2/f2 −η2/f2 1 …(32) である。A1、A2、X01、X02は前述の較正により
求まる既知である。したがつて、t1、t2が求まれ
ば、P1、P2が決まる。誤差がなければ、P1、P2
は一致し、第(31)式をP1=P2として解けばよ
い。第(31)式からはt1、t2を求めることができ
る。しかし、実際には測定誤差によるP1、P2
一致しないので、最も接近した点が求められる。
このようにして、2枚の画像を用いてワールド座
標系161で任意の空間位置が計測できる。
Referring to FIG. 13, the two cameras 165 and 166 in the world coordinate system are based on the coordinates of the camera lens principal point (X^ 0i , Y^ 0i , Z^ 0i ), the optical axis direction, and the camera 1
Rotation angles (α i , β i , γ i ) that determine the inclination of 65,166
and focal length f i (i=1 to 2) are known.
Let the coordinates of images of P (X^, Y^, Z^) of the world coordinate system 161 taken by two cameras 165 and 166 be (ξ 1 , ε 1 ) and (ξ 2 , ε 2 ), respectively. Image (ξ i
,
Assuming that the direction vectors from η i ) to the lens principal point are A 1 and A 2 respectively, P 1 = A 1 t 1 + X 01 P 2 = A 2 t 1 + X 02 (t 1 and t 2 are parameters)...( 31) A 1 and A 2 are obtained from equation (27) as A 1 = R 1 -1 −ξ 1 /f 1 −η 1 /f 1 1A 2 = R 2 -1 −ξ 2 /f 2 −η 2 / f 2 1 …(32). A 1 , A 2 , X 01 , and X 02 are known values determined by the above-mentioned calibration. Therefore, if t 1 and t 2 are determined, P 1 and P 2 are determined. If there is no error, P 1 , P 2
match, and equation (31) can be solved by setting P 1 = P 2 . From equation (31), t 1 and t 2 can be determined. However, in reality, P 1 and P 2 do not match due to measurement errors, so the closest point is found.
In this way, any spatial position can be measured in the world coordinate system 161 using the two images.

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、顔画像から
頭部の空間位置と方向とを検出して眼球の回転中
心を推計し、眼球中心を所望の座標系に変換して
眼球中心の空間位置を検出し、瞳孔または黒目を
抽出し、その中心点の空間位置を所望の座標系に
おいて求め、眼球中心の空間位置と眼球特徴点の
空間位置とを結ぶ線分またはこれと所定の傾きを
持つ線分を視線として検出することにより、必要
なパラメータとして近似的に1つの定数ベクトル
でよく、較正が簡単であり、眼球中心と瞳孔の空
間位置を求めることにより、非接触で利用者の頭
部の動きによらず視線の方向を求めることができ
る。しかも、カメラ座標系または最終的に求めた
い座標系で視線および注視点を検出でき、マン・
マシンインタフエースの分野で視線による入力装
置として様々な利用を図ることができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the spatial position and direction of the head are detected from a face image, the rotation center of the eyeball is estimated, and the eyeball center is converted to a desired coordinate system. Detect the spatial position of the center of the eyeball, extract the pupil or iris, find the spatial position of the center point in a desired coordinate system, and extract the line segment or line segment connecting the spatial position of the center of the eyeball and the spatial position of the eyeball feature point. By detecting a line segment with a predetermined inclination as a line of sight, approximately one constant vector is required as a necessary parameter, and calibration is easy. By determining the spatial position of the eyeball center and pupil, it is possible to The direction of the user's line of sight can be determined regardless of the movement of the user's head. Moreover, the line of sight and point of gaze can be detected in the camera coordinate system or the final coordinate system, and the human
It can be used in various ways as a line-of-sight input device in the field of machine interfaces.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明における視線検出方法の一実
施例を説明するための図である。第2図は眼球の
構造を模式的に示した図である。第3図は原点の
移動と座標軸の回転が伴なう座標変換を説明する
ための図である。第4図は第1図において、顔の
中の特徴点P1であるワールド座標系の原点を移
動した状態を示す図である。第5図はワールド座
標系を回転した状態を示す図である。第6図は頭
部座標系における眼球中心のベクトルを説明する
ための図である。第7図は瞳孔と中心窩を結ぶ線
分上に眼球中心がない場合を示す図である。第8
図はマーカー付眼鏡を用いた頭部骨格のモデル例
を示す図である。第9図は頭部骨格を4点でモデ
ル化した例を示す図である。第10図および第1
1は2つの特徴点から不動の仮想特徴点を求める
例を示す図である。第12図はステレオ画像計測
法を説明するための図ある。第13図および第1
4図はワールド座標系に対して任意に設定された
2台のカメラで撮影した画像により、その3次元
位置を求める方法を説明するための図である。第
15図は従来の非接触視線検出装置の一例を示
す。 図において、161はワールド座標系、170
は平面、171は眼球中心点、181は眼鏡、1
82はマーカー、PGは中心を示す。
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of the line of sight detection method according to the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the eyeball. FIG. 3 is a diagram for explaining coordinate transformation involving movement of the origin and rotation of the coordinate axes. FIG. 4 is a diagram showing a state in which the origin of the world coordinate system, which is the feature point P1 in the face, has been moved in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a state in which the world coordinate system is rotated. FIG. 6 is a diagram for explaining a vector centered on the eyeball in the head coordinate system. FIG. 7 is a diagram showing a case where the center of the eyeball is not on the line segment connecting the pupil and the fovea. 8th
The figure shows an example of a model of a head skeleton using eyeglasses with markers. FIG. 9 is a diagram showing an example in which the head skeleton is modeled at four points. Figure 10 and 1
1 is a diagram showing an example of determining an immovable virtual feature point from two feature points. FIG. 12 is a diagram for explaining the stereo image measurement method. Figure 13 and 1
FIG. 4 is a diagram for explaining a method for determining a three-dimensional position using images taken by two cameras arbitrarily set with respect to the world coordinate system. FIG. 15 shows an example of a conventional non-contact line of sight detection device. In the figure, 161 is the world coordinate system, 170
is a plane, 171 is the eyeball center point, 181 is the glasses, 1
82 is a marker, and PG indicates the center.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 画像撮影装置によつて撮影された顔画像をも
とに所望の座標系で視線を検出する視線検出方法
であつて、 前記顔画像から頭部の空間位置と方向とを前記
所望の座標系において求め、顔座標系をつくる顔
座標系生成ステツプと、 前記顔座標系生成ステツプで生成された顔座標
系において眼球の回転中心を推計する眼球中心推
計ステツプと、 前記顔座標系で表わされた眼球中心を前記所望
の座標系に変換して眼球中心の空間位置を検出す
る検出ステツプと、 前記顔画像から瞳孔または黒目を抽出し、その
中心点の空間位置を前記所望の座標系において求
める眼球特徴点の空間位置検出ステツプと、 前記眼球中心の空間位置と眼球特徴点の空間位
置とを結ぶ線分を求めるステツプとを備え、 前記線分またはこれと所定の傾きを持つ線分を
視線として検出することを特徴とする、視線検出
方法。 2 前記顔座標系生成ステツプは、前記顔画像か
ら顔上の皮膚の動きの少ない少なくとも3つの特
徴点を抽出し、抽出した該点の空間位置を前記所
望の座標系において求め、顔座標系をつくること
を特徴とする、請求項第1項記載の視線検出方
法。 3 さらに、眼鏡フレームの周囲に少なくとも3
ケ所に特徴抽出が容易なマークが設けられた眼鏡
を顔の特徴点抽出のために用いることを特徴とす
る、請求項第2項記載の視線検出方法。
[Claims] 1. A line of sight detection method for detecting line of sight in a desired coordinate system based on a face image photographed by an image capturing device, the method comprising: determining the spatial position and direction of the head from the face image; a face coordinate system generation step of calculating in the desired coordinate system and creating a face coordinate system; an eyeball center estimation step of estimating the center of rotation of the eyeball in the face coordinate system generated in the face coordinate system generation step; a detection step of detecting the spatial position of the eyeball center by converting the eyeball center expressed in the coordinate system to the desired coordinate system; a step of detecting the spatial position of the eyeball feature point to be determined in a desired coordinate system; and a step of determining a line segment connecting the spatial position of the center of the eyeball and the spatial position of the eyeball feature point, the step of determining the line segment or a predetermined inclination thereof. A line-of-sight detection method characterized by detecting a line segment with as a line-of-sight. 2. The face coordinate system generation step extracts at least three feature points with little movement of the skin on the face from the face image, determines the spatial position of the extracted points in the desired coordinate system, and generates the face coordinate system. The line of sight detection method according to claim 1, characterized in that: 3 In addition, at least 3
3. The line-of-sight detection method according to claim 2, characterized in that glasses having marks for easy feature extraction are used for extracting feature points of the face.
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